面向在轨服务的空间机械臂自标定方法研究

发布时间：2020-07-28 12:10

【摘要】：在空间站的建设与运营期间,空间机械臂因其高灵巧性和高自主性的特点,将承担繁重复杂的在轨服务任务。保证空间机械臂的末端位姿精度是顺利完成在轨服务任务的基础。然而,受到发射力学条件、意外冲击或碰撞以及长期服役引起的磨损、变形等多重因素的影响,空间机械臂运动学参数会发生变化,从而导致末端位姿精度降低。一般来说,在轨自标定能够校正运动学参数,是提高空间机械臂末端位姿精度的有效手段。自标定通常采用的绝对位姿误差模型要求能够准确测量机械臂的末端绝对位姿,而这依赖于末端位姿测量系与机械臂基系之间坐标变换关系的确定。对空间机械臂来说,发射期间的振动与冲击、空间站舱体的内外压差以及舱体的热变形均会改变测量系与基系之间的位姿关系,产生坐标变换误差,进而影响运动学标定效果,这导致绝对位姿误差模型不再适用于空间机械臂的在轨自标定。针对上述问题,本文以空间站七自由度机械臂为研究对象,通过引入位置距离与转角距离的概念描述机械臂末端相对位姿误差,探索运动学参数误差与相对位姿误差的线性映射关系,研究空间机械臂相对位姿误差建模方法,并以此为基础开展相对位姿误差模型的独立参数判别准则与测量构型优化策略研究,最终建立一套基于相对位姿误差模型的空间机械臂在轨自标定理论与方法。理论和应用研究成果归纳如下:(1)空间机械臂末端位姿精度影响因素研究。以七自由度空间机械臂作为研究对象,并基于MDH参数法建立其运动学模型;然后,从位置距离准确度和转角距离准确度的定义出发,提出了一套机械臂相对位姿精度评估方法及其测量实验条件,避免了测量系与基系之间坐标变换误差对位姿精度评估的影响;设计了空间机械臂位姿精度评估实验,为标定理论的仿真验证和实物验证提供指导;最后,分析了空间机械臂末端位姿精度的影响因素及其分布规律,并利用蒙特卡罗法分析了绝对位姿精度与相对位姿精度的映射关系,论证相对位姿误差建模的可行性。(2)面向空间机械臂在轨自标定的相对位姿误差建模。通过分析测量系与机械臂基系之间坐标变换误差对绝对位姿误差模型标定精度的影响,论证了相对位姿误差建模的必要性;通过忽略高阶误差分别建立空间机械臂位置距离误差模型与转角距离误差模型,结合两者构建出完整的相对位姿误差模型。与现有方法相比,本文不仅推导了上述高阶误差的数学期望,以证明相对位姿误差模型精度满足标定要求,而且通过引入转角距离误差模型,大幅提高了标定后机械臂的末端姿态精度。(3)空间机械臂相对位姿误差模型独立参数判别准则研究。在论证参数独立性分析必要性的基础上,依据辨识矩阵的列相关性建立了绝对位姿误差模型的独立参数判别准则;然后以绝对位姿误差模型参数独立性分析为基础,分别分析了位置距离误差模型和转角距离误差模型的参数独立性,结合两者建立了相对位姿误差模型的独立参数判别准则。实验结果表明,利用上述准则去除七自由度空间机械臂误差模型中的冗余参数可以提高在轨自标定精度。(4)空间机械臂在轨自标定测量构型优化策略研究。在确定测量构型优化目标函数与最优数量的基础上,通过引入递增法构造初始集合与细分构型可行域的手段改进DETMAX算法,从而避免了原有DETMAX算法受随机初始集合影响易发生局部收敛的问题,并扩展了优化问题的可行域,能够进一步提高可观指数;然后,针对空间机械臂的冗余特性,利用粒子群算法在零空间内查找最优测量构型。实验结果表明,与DETMAX方法相比,本文提出的优化策略能够构建具有更高可观指数的测量构型集合,从而产生更好的标定效果。(5)空间机械臂在轨自标定方法地面实验研究。在改造现有地面气浮实验平台的基础上,设计了自标定所需的末端位姿测量装置,并开发了可视化机械臂规划控制软件平台。以五自由度空间机械臂样机为实验对象,设计了典型的实验方案并实施验证实验,借助手眼相机与激光跟踪仪采集数据,利用MATLAB软件分析实验结果,对本文提出的空间机械臂在轨自标定理论与方法的有效性进行了实验验证。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241
【图文】：

肘关节,服务任务,空间机械臂,国际空间站

随着航天事业的不断发展，空间机械臂在空间站的建设与维护、实验载荷的捕逡逑获与安装、卫星的释放与回收和在轨可更换单元的替换等在轨服务任务中发挥着越逡逑来越重要的作用［１］。国际空间站的建设和维护经验表明，利用空间机械臂辅助航天员逡逑完成空间站建设与维护、实验载荷捕获与安装等在轨服务任务，可以有效降低出舱逡逑风险，提高在轨服务任务的执行效率［２］。加拿大、日本、欧洲等国家和地区较早开展逡逑了空间机械臂的研宄工作，并基于国际空间站等在轨平台开展了大量的实验和工程逡逑应用，从而积累了丰富的技术能力和应用经验。逡逑灥逡逑＇逦一．邋邋－邋■知；』，一邋二：逦：邋＾一—二二－—“二一邋—邋邋邋逡逑图１－１邋ＳＳＲＭＳ执行装配任务逦图１－２ＪＥＭＲＭＳ执行后勤舱暴露实验逡逑

面向在轨服务的空间机械臂自标定方法研究

图１－１邋ＳＳＲＭＳ执行装配任务逦

暴露实验,后勤,机械臂

逡逑图１－１邋ＳＳＲＭＳ执行装配任务逦图１－２ＪＥＭＲＭＳ执行后勤舱暴露实验逡逑■逡逑图１－３邋ＥＲＡ及其备用肘关节逦图１４邋ＣＭＭ与“天宫”核心舱逡逑加拿大的移动服务系统ＭＳＳ用于执行国际空间站的搭建与维护等任务，主要由逡逑空间站遥控机械臂系统（Ｓｐａｃｅ邋Ｓｔａｔｉｏｎ邋Ｒｅｍｏｔｅ邋Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＳＳＲＭＳ）、活动逡逑基座系统（Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｂａｓｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＭＢＳ）以及专用灵巧机械臂（Ｓｐｅｃｉａｌ邋Ｐｕｒｐｏｓｅ邋Ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ逡逑Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，邋ＳＰＤＭ）组成［：）］。ＳＳＲＭＳ是一条７自由度机械臂，最大载荷质量高达逡逑１１００００ｋｇ，操作灵活性高，可以完成精细复杂的在轨捕获及组装任务，如图１－１所逡逑示。工作时该机械臂的一端能够抓持于活动基座上，另外一端安装有灵巧手，可以逡逑２逡逑

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